En 600 avant J.-C., le philosophe grec Thalès de Milet il a remarqué que lorsqu’il frottait de la fourrure sur de l’ambre, la fourrure attirait la poussière.
Cette minuscule charge générée est connue sous le nom d’électricité statique.
Vous connaissez peut-être ce phénomène sous le nom de crépitement et de gonflement de vos cheveux lorsque vous les brossez, ou de la force qui colle un ballon au plafond après l’avoir frotté sur votre tête, mais les scientifiques tentent depuis des siècles de comprendre ce qui crée ce phénomène.
Maintenant, nous avons enfin une réponse : le début et la fin du mouvement de glissement qui produit l’électricité statique subissent des forces différentes – ce qui entraîne un différentiel de charge entre l’avant et l’arrière qui se traduit par le crépitement de l’électricité statique.
« Pour la première fois, nous sommes capables d’expliquer un mystère que personne ne pouvait résoudre auparavant : pourquoi le frottement est important. » déclare le spécialiste des matériaux Laurence Marks de l’Université Northwestern aux États-Unis.
« Les gens ont essayé, mais ils n’ont pas réussi à expliquer les résultats expérimentaux sans faire des suppositions qui n’étaient ni justifiées ni justifiables. Nous le pouvons désormais, et la réponse est étonnamment simple. Le simple fait d’avoir des déformations différentes – et donc des charges différentes – à l’avant et à l’arrière d’un objet qui glisse entraîne la formation de courant. »
L’électricité statique est extrêmement courante et nous connaissons très bien les conditions qui la rendent plus susceptible de se produire. Lorsqu’elle est générée par le frottement de deux matériaux, on parle de triboélectricité, et le transfert de charge entre les deux surfaces est l’effet triboélectrique.
L’effet triboélectrique lui-même a été un peu plus difficile à cerner. La seule chose dont nous étions certains était que le frottement de deux matériaux produisait de la triboélectricité.
Puis, en 2019, Marks et ses collègues de l’époque a eu une percée:ils ont découvert que le frottement de deux matériaux l’un contre l’autre déforme les protubérances microscopiques présentes à la surface de ces matériaux. Les déformations de la texture de la surface créent une tension.
Un diagramme illustrant comment la texture du matériau entraîne un différentiel de charge. (Olson & Marks, Lettres Nano(2024)
Dans un nouvel ouvrage, Marks et le premier auteur Karl Olson de l’Université Northwestern ont complété le reste du puzzle.
« En 2019, nous avions la graine de ce qui se passait. Cependant, comme toutes les graines, il a fallu du temps pour qu’elle pousse », Marks a dit« Aujourd’hui, le projet a fait ses preuves. Nous avons développé un nouveau modèle qui calcule le courant électrique. Les valeurs du courant pour une série de cas différents concordent bien avec les résultats expérimentaux. »
Leurs calculs et leurs expériences montrent que le concept au cœur du frottement est crucial pour la génération d’électricité statique. Il s’agit du cisaillement élastique, la capacité d’un matériau à résister à la contrainte du glissement. Lorsque vous frottez deux matériaux l’un contre l’autre, ils résistent au mouvement, ce qui génère un frottement. C’est pourquoi, même lorsque vous glissez sur un sol poli en chaussettes, vous finissez par vous arrêter.
Lorsque des surfaces isolantes frottent l’une contre l’autre, les contraintes élastiques à l’avant du corps diffèrent de celles à l’arrière. Les charges et la polarisation à l’avant et à l’arrière du matériau sont donc également différentes, ce qui entraîne la formation d’un courant entre les deux charges différentes.
Le modèle n’explique pas tous les aspects de la triboélectricité, mais il semble résoudre l’essentiel du problème. Des analyses et des expérimentations plus poussées aideront les scientifiques à comprendre les détails, ce qui, espérons-le, mènera non seulement à une compréhension de la triboélectricité, mais aussi à un moyen de la contrôler.
Il existe de nombreuses bonnes raisons de vouloir comprendre l’électricité statique. Son accumulation peut créer des problèmes dans la fabrication et pour les éoliennesLes étincelles d’électricité statique peuvent déclencher des incendies. Et l’électricité statique pourrait être en partie responsable de notre existence entière : on pense que les forces électrostatiques sont la colle qui a lié les tout premiers grains de poussière à partir desquels notre planète s’est développée, il y a des milliards d’années.
« L’électricité statique affecte la vie de manière à la fois simple et profonde », Marks dit« C’est incroyable à quel point nos vies sont touchées par l’électricité statique et à quel point l’univers en dépend. »
La recherche a été publiée dans Lettres Nano.
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